六盤山地區(qū)礦養(yǎng)泥炭地沉積速率與全新世氣候變化

王鵬 陸愛國(guó) 李蓓

（寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局 寧夏銀川 750001）

0 引言

泥炭地的生態(tài)價(jià)值、科研價(jià)值已越來越受到科研工作者的重視，其所記錄的古環(huán)境變化信息對(duì)于研究碳循環(huán)和氣候變化已發(fā)揮了重要的作用。目前對(duì)于泥炭記錄的研究多集中在東北長(zhǎng)白山地區(qū)及青藏高原三江源地區(qū)，研究成果顯著，同時(shí)也積累了豐富的研究方法。寧夏六盤山地區(qū)地處黃土高原西部，系祁連山地槽與華北地臺(tái)的過渡帶，屬中溫帶季風(fēng)區(qū)半濕潤(rùn)向半干旱過渡性氣候區(qū)。有別于上述研究區(qū)域，六盤山地區(qū)降水量較少，難以形成大范圍雨養(yǎng)泥炭地。得益于得天獨(dú)厚的自然地理?xiàng)l件，在許多山間洼地及山前坡地上形成了多處礦養(yǎng)泥炭地。因此，六盤山泥炭地形成條件更為復(fù)雜，加之地處黃土高原，其獨(dú)特的地域代表性更具研究?jī)r(jià)值。

1 區(qū)域背景

研究區(qū)位屬祁連山褶皺帶東緣，近似南北的狹長(zhǎng)地帶，東部有白堊系基巖出露，中部和西部被第四系風(fēng)積砂或古近系的紫紅色黏土所覆蓋。最高海拔美高山2 942 m，大部分區(qū)域在1 900～2 500 m 之間。泥炭地發(fā)育多位于山間洼地及山前坡地形成的地下水排泄區(qū)。各泥炭地區(qū)塊泥炭賦存層位不同，除少數(shù)泥炭地（如靳家溝泥炭地）為含表露泥炭地層，其由泥炭層及其下部沉積物所組成外，其他大部分為含埋藏泥炭地層，即由泥炭層及其上、下部沉積物組成。

2 研究區(qū)泥炭地分布及其特征

據(jù)走訪調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定具有研究意義的泥炭地區(qū)塊20 個(gè)，基本沿六盤山主山脈西側(cè)分部，總面積58 hm2。泥炭層全區(qū)穩(wěn)定連續(xù)分部的泥炭地11 個(gè)，蓮花溝北、田堡、毛莊、槽子梁等；泥炭層平均厚度＞0.3 m 的泥炭地10 個(gè)；平均厚度＞0.5 m的泥炭地5 個(gè)；垂向上，泥炭層一般分布在垂深0.50～3.50 m范圍內(nèi)，最深8.9 m（陳靳南），最淺0.03 m（靳家溝）。調(diào)查區(qū)內(nèi)泥炭多為暗褐、黑褐，泥炭的結(jié)構(gòu)多呈粗纖維狀、中纖維狀、纖維狀，少數(shù)為細(xì)纖維狀、碎纖維狀。泥炭的自然含水量平均為20%～60%，最高為65.9%，最低為5.60%。干容重為0.90～1.31 g/cm3，真密度2.01～2.69，纖維含量4.26～37.63%。有機(jī)質(zhì)含量較低，一般在10%～30%，最高35.37%，最低6.26%。腐殖酸含量為0.20%～0.88%，泥炭灰中鋁成分不高，硅成分稍高。各泥炭地泥炭層之間灰成分變化不大。

3 年代框架與沉積速率分析

六盤山西麓泥炭沉積深度集中在0～8.8 m，除裴家后溝以外，多數(shù)厚層泥炭層沉積在5.0 m 以內(nèi)的深度。各區(qū)域沉積深度及沉積年代差異較大，外源沉積物的成分及沉積速率也各不相同。將槽子梁剖面年代數(shù)據(jù)及其他區(qū)域泥炭層深度年代數(shù)據(jù)投至沉積物深度—年代關(guān)系圖（圖1）上，建立六盤山西麓泥炭地年代序列。

圖1 沉積物深度—年代關(guān)系圖

從剖面年代圖（圖1）上可以看出，泥炭層沉積多集中在5 000～6 000 a B.P.間以及3 000 a B.P.后的時(shí)間范圍內(nèi)。從沉積時(shí)間上來看，5 000～6 000 a B.P.間以及3 000 a B.P.后的時(shí)間范圍應(yīng)該更有利于泥炭地的發(fā)育，相對(duì)溫度和濕度配置較好。

各區(qū)塊地層平均沉積速率在0.34～4.4 mm/a 之間。沉積速率最小為田堡，沉積物以含礫細(xì)砂、含砂黏土、黏土及泥炭為主，其中泥炭層厚度共計(jì)0.28 m；沉積速率最大為裴家后溝，沉積物以粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土為主及泥炭為主，其中泥炭層厚度共計(jì)0.61 m。代表剖面槽子梁地層平均沉積速率0.48 mm/a，沉積物以砂質(zhì)黏土、黏土及泥炭為主，泥炭層厚度共計(jì)1.15 m，泥炭層沉積速率0.13 mm/a。靳家溝沉積速率1.27 mm/a，沉積物全部為泥炭層，厚度2.38 m；山河泥炭層沉積速率0.27 mm/a。地層沉積速率柱狀圖（圖2）顯示地層沉積速率從1 680 a B.P.開始明顯加快，說明環(huán)境劇烈變化造成了外源物大量入侵或內(nèi)生物大量生產(chǎn)沉積。

圖2 地層沉積速率柱狀圖

從泥炭層的沉積速率來看，靳家溝沉積速率最大1.27 mm/a，其沉積年代為1 870 a B.P.后。但同屬3 000 a B.P.后年代區(qū)間的山河泥炭層沉積速率只有0.27 mm/a。說明礦養(yǎng)泥炭地受到多種環(huán)境條件影響，比大范圍雨養(yǎng)泥炭地形成更為復(fù)雜，沉積速率不能很好地代表氣候環(huán)境條件。

4 孢粉分析

孢粉鑒定共分析孢粉樣品32 組，樣品在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)過酸、堿等化學(xué)處理，最后制活動(dòng)玻片在生物顯微鏡下進(jìn)行觀察、鑒定、統(tǒng)計(jì)。共統(tǒng)計(jì)陸生植物花粉5 670 粒，平均每個(gè)樣品196 粒，孢粉總濃度為4 725 粒/g，共發(fā)現(xiàn)并鑒定了60 個(gè)科屬的植物花粉。

由孢粉數(shù)量、濃度分布圖（圖3）可以看出，除靳家溝樣品（1 870 a B.P.）孢粉總數(shù)為55 粒以外，其他樣品孢粉數(shù)量均在100 粒以上。從區(qū)塊劃分來看，孢粉總數(shù)在同一區(qū)塊不同年代的數(shù)值較為接近，而孢粉總數(shù)在不同年代區(qū)間的分布并無明顯的規(guī)律性變化。說明樣品孢粉受遠(yuǎn)距離植被孢粉傳播的影響較小，受地形及花粉傳播距離等條件影響，樣品孢粉基本代表了區(qū)塊附近的植被發(fā)育情況。

圖3 孢粉數(shù)量、濃度分布圖

從孢粉占比分類統(tǒng)計(jì)圖（圖4）上看，木本植物孢粉占比在12 420～10 470 a B.P.間為51%～74%，9 400～3 160 a B.P.間占比較大，隨后總體占比減少，以草本植物為主。蕨類植物孢粉占比在2 870～1 680 a B.P.間占比增加。

圖4 孢粉分類占比條形圖

為進(jìn)一步確定環(huán)境氣候特征，需從不同代表植被的孢粉特性及其代表的環(huán)境特征進(jìn)行分析。

（1）云杉屬、松屬。云杉屬花粉的含量在一些時(shí)段比較高，成為喬木花粉的主要成分，對(duì)恢復(fù)其古植被有重要意義。許多學(xué)者曾研究云杉花粉的飛翔能力，對(duì)云杉花粉傳播能力的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，內(nèi)蒙古大興安嶺的西坡錫林河流域純?cè)粕剂謨?nèi)，表土樣品中云杉花粉的含量＞50%，最多達(dá)84.2%，距云杉林30 m處，其含量降至35%，距云杉林300 m 外，含量降至1%［1］。以上研究表明云杉花粉在風(fēng)媒的環(huán)境下不能遠(yuǎn)距離傳播，符合本文孢粉只代表附近環(huán)境特征的推論。六盤山泥炭地云杉含量超過15%，部分樣品云杉含量超過30%的階段，指示在相應(yīng)沉積環(huán)境下的孢粉源區(qū)范圍內(nèi)有云杉林發(fā)育。

（2）闊葉樹。闊葉樹孢粉含量比針葉樹低，主要是樺木屬、櫟屬、榆屬、胡桃屬，其中櫟屬占比最大，大多數(shù)＜10%。5 490 a B.P.出現(xiàn)峰值達(dá)到57.6%，其次為2 930 a B.P.的23.8%及300 a B.P.的24.9%。根據(jù)采樣區(qū)塊的環(huán)境現(xiàn)狀推斷300 a B.P.闊葉樹孢粉濃度較大，極有可能是因?yàn)橹矘湓炝值热祟惢顒?dòng)影響。多數(shù)時(shí)段低含量闊葉樹花粉表明研究區(qū)周圍沒有大面積闊葉林生長(zhǎng)，可能在周圍山地區(qū)域存在與針葉林混雜生長(zhǎng)而形成的小面積針闊混交林，故有少量的闊葉樹花粉沉積。

（3）莎草科。莎草科為多年生或一年生草本，常生于潮濕處或沼澤中。莎草科植物是草甸、沼澤草甸和草甸草原的主要組分，相對(duì)喜濕。同時(shí)，許多研究也表明，莎草科花粉是干旱地區(qū)區(qū)域性特征花粉之一［2］。莎草科植物經(jīng)常分布于河灘地、滯水洼地以及湖盆周圍的沼澤草甸類隱域性植被中。若爾蓋地區(qū)的孢粉研究表明莎草科花粉含量同時(shí)也反映了草甸的沼澤化程度［3］。此外，該研究區(qū)的表土花粉研究顯示：莎草科植物主要分布在高山草甸和沼澤泥炭地，莎草科花粉來源于莎草科植被苔草和篙草。由于莎草科植物多生長(zhǎng)在冷濕的環(huán)境，故其花粉可以很好地指示高山草甸。六盤山樣品中莎草科孢粉自2 090 a B.P.開始大量出現(xiàn)，顯示草甸、草原發(fā)育狀況良好。

根據(jù)鏡下孢粉鑒定統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，按照植物氣候類型代表性特征選取孢粉總濃度、孢粉總數(shù)、木本植物、草本植物、蕨類孢子、云杉屬、落葉櫟屬、常綠櫟屬莎草科、蹄蓋蕨、單縫孢等指標(biāo)。根據(jù)聚類分析所得結(jié)果劃分為4 個(gè)孢粉組合帶，各孢粉組合帶特征及所反映的植被類型和氣候分述如下：

（1）孢粉帶Ⅰ（12420～10 470 a B.P.）。孢粉總濃度為8 687 粒/g，孢粉組合中木本植物花粉（46.75%～81.64%，平均58.15%）占優(yōu)勢(shì)，其次是草本植物花粉（17.7%～52.07%，平均37.79%），蕨類孢子（0.66%～15.24%，平均4.06%）少。木本植物花粉中以松屬（25.75%）和云杉屬（21.3%）居多，其次是落葉櫟屬（5.1%）、常綠櫟屬（1.31%）、麻黃屬（1.13%）、榆屬、樺屬和鵝耳櫪屬等；草本植物花粉中主要有蓼科（11.86%）、蒿屬（9.33%）、莎草科（5.87%）、菊科（2.64%）、毛茛科（1.51%）、藜科（1.32%）、蒲公英屬（1.22%）和禾本科等；蕨類孢子中可見少量的蹄蓋蕨（7%）和單縫孢（1.49%）等。本階段孢粉濃度高，其中以針葉樹云杉的含量最高，闊葉樹為落葉櫟、常綠櫟、榆屬和樺屬等，含量較低，表明階段氣候相對(duì)寒冷，草本植物中蓼科較多，可見一定數(shù)量喜潮濕的莎草科。綜合分析當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境是較寒冷的，植被類型是以針葉樹云杉為主的針闊混交林-草原。

（2）孢粉帶Ⅱ（10 470～5 330 a B.P.）。孢粉總濃度為3 296 粒/g，孢粉組合中草本植物花粉（25.45%～88.63%，平均55.22%）稍多，木本植物花粉（11.37%～73.64%，平均41.98%）次之，蕨類孢子（0～12.26%，平均2.79%）零星。草本植物花粉中以莎草科（17.1%）和蒿屬（15.47%）為主，其次是菊科（6.39%）、十字花科（4.45%）、藜科（3.18%）、蓼科（3.13%）、禾本科（2.26%）和毛茛科等；木本植物花粉中松屬（21.64%）和云杉屬（10.81%）占優(yōu)勢(shì)，還有少量的常綠櫟屬（1.7%）、落葉櫟屬（1.51%）、榆屬（1.09%）、沙棘屬、麻黃屬和鵝耳櫪屬等；蕨類孢子中可見蹄蓋蕨（1.1%）和單縫孢等。本階段孢粉濃度降低，其中草本植物占優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)了較多的莎草科植物，木本植物中云杉屬所占比例明顯減少，喜暖的常綠櫟和榆屬稍有增加，推測(cè)此階段氣候較Ⅰ階段相對(duì)溫濕一些。

（3）孢粉帶Ⅲ（5 330～1 680 a B.P.）。孢粉總濃度為3 996 粒/g，孢粉組合中木本植物花粉（10.7%～90.24%，平均54.04%）所占比例上升，其次是草本植物花粉（3.64%～86.05%，平均42.34%）和蕨類孢子（0～14.55%，平均3.62%）。木本植物花粉中松屬（28.68%）和云杉屬（11.76%）較II 帶含量上升，其次是落葉櫟屬（5.36%）、樺屬（2.13%）、沙棘屬（1.33%）、常綠櫟屬（1.09%）、榆屬和麻黃屬等；草本植物花粉中蒿屬（14.35%）稍多，還有莎草科（8.45%）、十字花科（5.68%）、藜科（3.08%）、菊科（2.07%）、禾本科（1.41%）和紫菀屬（1.34%）等；蕨類孢子中有蹄蓋蕨（2.91%）和單縫孢等。本階段的突出特點(diǎn)是喜濕潤(rùn)環(huán)境的莎草科明顯減少，木本植物中出現(xiàn)了一定數(shù)量的落葉櫟和樺屬，云杉屬也稍有增加，由此推測(cè)當(dāng)時(shí)的氣候較II 階段涼偏干。

（4）孢粉帶Ⅳ（1 680～50 a B.P.）。孢粉總濃度為4 186 粒/g，孢粉組合中木本植物花粉占5.36%～90.87%，平均55.96%，其中以松屬（33.66%）為主，其次是云杉屬（15.16%），還可見落葉櫟屬（2.21%）、麻黃屬、鵝耳櫪屬和樺屬等；草本植物花粉（7.47%～94.64%，平均42.49%）中以蒿屬（15.39%）居多，其次是藜科（7.32%）、蒲公英屬（5.33%）、菊科（4.82%）、莎草科（4.81%）、禾本科（1.27%）和紫菀屬等；蕨類孢子（0～2.88%，平均1.25%）中可見零星的蹄蓋蕨和單縫孢等。本階段木本植物占優(yōu)勢(shì)，其中松屬和云杉屬較多，闊葉樹零星出現(xiàn)，草本植物中蒿屬、藜科、蒲公英和菊科居多，綜合分析當(dāng)時(shí)的氣候涼干。

5 孢粉記錄與其他代用指標(biāo)的對(duì)比分析

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所高寒生態(tài)學(xué)與生物多樣性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)及劉賢趙等對(duì)物種的葉δ13C 研究發(fā)現(xiàn)，植物類型的總有機(jī)質(zhì)δ13C 數(shù)據(jù)與環(huán)境濕潤(rùn)指數(shù)或年均降水量之間具有比較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系［4］。干密度是樣品蒸發(fā)掉水分后干樣品的密度，可以反映泥炭的保存狀況并有一定的環(huán)境指示意義。泥炭的分解作用越強(qiáng)烈，泥炭越緊實(shí)，則干密度越大；反之，其分解作用越弱，干密度越小。在氣候溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境條件下，有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)量高且容易被埋藏形成泥炭，此時(shí)泥炭分解作用弱，干密度?。粴夂驐l件冷干，有機(jī)質(zhì)分解作用強(qiáng)烈且積累量少，干密度大［5］。因此，干密度可以指示泥炭地表層濕度環(huán)境從而作為反映氣候條件的指示因子。

六盤山全新世早中期干密度及有機(jī)碳樣品數(shù)據(jù)較少，從干密度及有機(jī)碳含量圖（圖5）上可以直觀的看出9 400～8 880 a B.P.干密度有明顯的增大，同時(shí)有機(jī)質(zhì)含量降低，顯示環(huán)境變干燥。從孢粉數(shù)據(jù)來看，此時(shí)間段也出現(xiàn)了木本植物大幅度減少的現(xiàn)象，與上述環(huán)境變干冷的推斷吻合。5 490～5 330 a B.P.出現(xiàn)了干密度增大，有機(jī)質(zhì)含量減少的現(xiàn)象，推斷為環(huán)境變干燥，同時(shí)孢粉數(shù)據(jù)顯示木本植物大量減少，尤其椴屬、落葉櫟屬等闊葉木本植被孢粉含量突降為0，且δ13C 數(shù)據(jù)陡然增大（圖6），驗(yàn)證了5 330 a B.P.環(huán)境干冷的結(jié)論。

圖5 六盤山樣品δ13C-年代圖

圖6 干密度及有機(jī)碳含量圖

進(jìn)入3 000 a B.P.以后，干密度及有機(jī)碳含量明顯的波動(dòng)加劇，說明環(huán)境濕度變化較為復(fù)雜。2 930～2 800 a B.P.干密度較大，有機(jī)質(zhì)含量較高，指示了環(huán)境濕度較高，δ13C 數(shù)據(jù)降低也顯示了濕度的增加，闊葉屬孢粉數(shù)量大增，蕨類植物孢粉數(shù)量陡然增加，均說明此時(shí)環(huán)境濕度較大，與干密度有機(jī)碳判斷結(jié)果吻合；1 680 a B.P.出現(xiàn)干密度變大，有機(jī)質(zhì)含量降低，δ13C數(shù)據(jù)上升，指示了環(huán)境濕度的下降；970 a B.P.干密度增大，有機(jī)碳含量降低，顯示環(huán)境濕度有所增加；至350 a B.P.干密度陡然增大，有機(jī)碳含量急劇減少，顯示環(huán)境濕度再一次下降。期間形成了由濕潤(rùn)到干燥再到濕潤(rùn)的2 個(gè)旋回。

6 結(jié)論

在較多的年代數(shù)據(jù)支撐下建立了可靠的年代框架，并在對(duì)應(yīng)層位上進(jìn)行了樣品孢粉鑒定、干容重及有機(jī)碳測(cè)定、有機(jī)沉積物δ13C 測(cè)定。重建了12 420 a B.P.以來六盤山地區(qū)植被發(fā)育及環(huán)境氣候變化，對(duì)比了各環(huán)境代用指標(biāo)的代表性，找出了氣候突變事件。得到結(jié)論如下：

（1）孢粉鑒定分析顯示12 420～10 470 a B.P.孢粉濃度高，其中以針葉樹云杉的含量最高，闊葉樹為落葉櫟、常綠櫟、榆屬和樺屬等，含量較低，氣候相對(duì)寒冷，草本植物中蓼科較多，可見一定數(shù)量喜潮濕的莎草科。氣候環(huán)境是較寒冷的，植被類型是以針葉樹云杉為主的針闊混交林-草原。10 470～5 330 a B.P.孢粉濃度降低，草本植物占優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)了較多的莎草科植物，木本植物中云杉屬所占比例明顯減少，喜暖的常綠櫟和榆屬稍有增加，溫度及濕度達(dá)到較好配置，森林-灌叢-草甸草原植被發(fā)育良好，氣候較前階段更加溫濕。5 330～1 680 a B.P.喜濕潤(rùn)環(huán)境的莎草科明顯減少，木本植物中出現(xiàn)了一定數(shù)量的落葉櫟和樺屬，云杉屬也稍有增加，氣候較涼偏干。1 680～50 a B.P.木本植物占優(yōu)勢(shì)，其中松屬和云杉屬較多，闊葉樹零星出現(xiàn)，草本植物中蒿屬、藜科、蒲公英和菊科居多，氣候涼干。

（2）通過多個(gè)環(huán)境代用指標(biāo)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以往研究常用的沉積速率在六盤山礦養(yǎng)泥炭地代表性較差，說明礦養(yǎng)泥炭地的發(fā)育條件較雨養(yǎng)泥炭地更為復(fù)雜。但同時(shí)沉積速率又可以說明外源物入侵等其他沉積環(huán)境的改變。

（3）各項(xiàng)代用指標(biāo)同時(shí)記錄了8 880 a B.P.、5 330 a B.P.、2 800 a B.P.時(shí)期的氣候事件，且氣候變化與新仙女木事件、仰韶大暖期基本吻合，說明六盤山的植被變化能夠響應(yīng)全新世氣候的快速變化。